Според SmarTech, консултантска компания за производствени технологии, космическата индустрия е втората по големина индустрия, обслужвана от адитивно производство (AM), на второ място след медицината.Въпреки това, все още липсва осведоменост за потенциала на адитивното производство на керамични материали за бързото производство на аерокосмически компоненти, повишена гъвкавост и рентабилност.AM може да произвежда по-здрави и по-леки керамични части по-бързо и по-устойчиво - намалявайки разходите за труд, минимизирайки ръчното сглобяване и подобрявайки ефективността и производителността чрез дизайн, разработен чрез моделиране, като по този начин намалява теглото на самолета.В допълнение, керамичната технология за адитивно производство осигурява контрол на размерите на готовите части за характеристики, по-малки от 100 микрона.
Въпреки това, думата керамика може да предизвика погрешното схващане за чупливост.Всъщност керамиката, произведена с добавки, произвежда по-леки, по-фини части с голяма структурна здравина, издръжливост и устойчивост на широк температурен диапазон.Гледащите в бъдещето компании се насочват към производството на керамични компоненти, включително дюзи и витла, електрически изолатори и турбинни перки.
Например, алуминиевият оксид с висока чистота има висока твърдост и има силна устойчивост на корозия и температурен диапазон.Компонентите, изработени от алуминиев оксид, също са електрически изолиращи при високите температури, често срещани в аерокосмическите системи.
Керамиката на базата на цирконий може да отговори на много приложения с екстремни изисквания към материалите и голямо механично напрежение, като например метални формовки от висок клас, клапани и лагери.Керамиката от силициев нитрид има висока якост, висока издръжливост и отлична устойчивост на термичен шок, както и добра химическа устойчивост на корозия на различни киселини, основи и разтопени метали.Силициевият нитрид се използва за изолатори, работни колела и високотемпературни нискодиелектрични антени.
Композитната керамика осигурява няколко желани качества.Керамиката на базата на силиций, добавена с алуминиев оксид и циркон, е доказала, че се представя добре при производството на монокристални отливки за турбинни лопатки.Това е така, защото керамичното ядро, направено от този материал, има много ниско термично разширение до 1500°C, висока порьозност, отлично качество на повърхността и добра излугваемост.Отпечатването на тези сърцевини може да създаде дизайн на турбина, който може да издържи на по-високи работни температури и да увеличи ефективността на двигателя.
Добре известно е, че леенето под налягане или машинната обработка на керамика е много трудно, а машинната обработка осигурява ограничен достъп до компонентите, които се произвеждат.Елементи като тънки стени също са трудни за обработка.
Lithoz обаче използва базирано на литография производство на керамика (LCM) за производство на прецизни 3D керамични компоненти със сложна форма.
Започвайки от CAD модела, подробните спецификации се прехвърлят цифрово към 3D принтера.След това нанесете прецизно формулирания керамичен прах върху горната част на прозрачната вана.Подвижната строителна платформа се потапя в калта и след това избирателно се излага на видима светлина отдолу.Изображението на слоя се генерира от цифрово микроогледално устройство (DMD), свързано с прожекционната система.Чрез повтаряне на този процес може да се генерира триизмерна зелена част слой по слой.След термична последваща обработка свързващото вещество се отстранява и зелените части се синтероват - комбинират чрез специален процес на нагряване - за да се получи напълно плътна керамична част с отлични механични свойства и качество на повърхността.
Технологията LCM осигурява иновативен, рентабилен и по-бърз процес за леене по инвестиция на компоненти на турбинни двигатели - заобикаляйки скъпото и трудоемко производство на матрици, необходимо за леене под налягане и леене по изгубен восък.
LCM може също така да постигне проекти, които не могат да бъдат постигнати с други методи, като същевременно използва много по-малко суровини в сравнение с други методи.
Въпреки големия потенциал на керамичните материали и LCM технологията, все още има разлика между производителите на оригинално оборудване за AM (OEM) и дизайнерите на космическото пространство.
Една от причините може да е съпротивата срещу новите методи на производство в отрасли с особено строги изисквания за безопасност и качество.Аерокосмическото производство изисква много процеси на проверка и квалификация, както и задълбочени и стриктни тестове.
Друга пречка включва убеждението, че 3D принтирането е подходящо само за еднократно бързо прототипиране, а не за нещо, което може да се използва във въздуха.Отново, това е недоразумение и е доказано, че 3D отпечатаните керамични компоненти се използват в масово производство.
Пример за това е производството на турбинни лопатки, където AM керамичният процес произвежда монокристални (SX) сърцевини, както и насочено втвърдяване (DS) и равноосно леене (EX) турбинни лопатки от суперсплав.Ядра със сложни разклонени структури, множество стени и задни ръбове по-малки от 200 μm могат да бъдат произведени бързо и икономично, а крайните компоненти имат постоянна точност на размерите и отлично покритие на повърхността.
Подобряването на комуникацията може да обедини аерокосмическите дизайнери и производителите на оригинално оборудване и да се довери напълно на керамичните компоненти, произведени с помощта на LCM и други технологии.Съществуват технологии и опит.Тя трябва да промени начина на мислене от AM за научноизследователска и развойна дейност и прототипиране и да го види като път напред за широкомащабни търговски приложения.
В допълнение към образованието, аерокосмическите компании могат също да инвестират време в персонал, инженерство и тестване.Производителите трябва да са запознати с различни стандарти и методи за оценка на керамика, а не на метали.Например, двата ключови ASTM стандарта на Lithoz за структурна керамика са ASTM C1161 за изпитване на якост и ASTM C1421 за изпитване на якост.Тези стандарти се прилагат за керамика, произведена по всички методи.При производството на керамични добавки етапът на отпечатване е само метод на формоване и частите преминават през същия тип синтероване като традиционната керамика.Следователно микроструктурата на керамичните части ще бъде много подобна на конвенционалната обработка.
Въз основа на непрекъснатия напредък на материалите и технологиите можем уверено да кажем, че дизайнерите ще получат повече данни.Нови керамични материали ще бъдат разработени и персонализирани според специфичните инженерни нужди.Частите, изработени от AM керамика, ще завършат процеса на сертифициране за използване в космическото пространство.И ще осигури по-добри инструменти за проектиране, като например подобрен софтуер за моделиране.
Като си сътрудничат с техническите експерти на LCM, аерокосмическите компании могат да въведат AM керамични процеси вътрешно - съкращавайки времето, намалявайки разходите и създавайки възможности за развитие на собствената интелектуална собственост на компанията.С далновидност и дългосрочно планиране аерокосмическите компании, които инвестират в керамични технологии, могат да извлекат значителни ползи в цялото си производствено портфолио през следващите десет години и след това.
Чрез установяване на партньорство с AM Ceramics, производителите на оригинално космическо оборудване ще произвеждат компоненти, които преди са били невъобразими.
About the author: Shawn Allan is the vice president of additive manufacturing expert Lithoz. You can contact him at sallan@lithoz-america.com.
Шон Алън ще говори за трудностите при ефективното съобщаване на предимствата на производството на керамични добавки на Ceramics Expo в Кливланд, Охайо на 1 септември 2021 г.
Въпреки че разработването на хиперзвукови летателни системи съществува от десетилетия, сега то се превърна в основен приоритет на националната отбрана на САЩ, довеждайки тази област в състояние на бърз растеж и промяна.Като уникална мултидисциплинарна област, предизвикателството е да се намерят експерти с необходимите умения за насърчаване на нейното развитие.Въпреки това, когато няма достатъчно експерти, това създава празнина в иновациите, като например поставяне на дизайна за технологичност (DFM) на първо място във фазата на научноизследователска и развойна дейност и след това се превръща в производствена празнина, когато е твърде късно да се правят икономически ефективни промени.
Алиансите, като новосъздадения Университетски алианс за приложна хиперзвука (UCAH), осигуряват важна среда за култивиране на талантите, необходими за напредък в областта.Студентите могат да работят директно с университетски изследователи и професионалисти от индустрията, за да разработят технология и да усъвършенстват критичните хиперзвукови изследвания.
Въпреки че UCAH и други отбранителни консорциуми упълномощиха членовете да се занимават с различни инженерни работни места, трябва да се работи повече, за да се култивират разнообразни и опитни таланти, от дизайна до разработването на материали и подбора до производствените цехове.
За да осигури по-трайна стойност в областта, университетският алианс трябва да превърне развитието на работната сила в приоритет чрез привеждане в съответствие с нуждите на индустрията, включване на членове в подходящи за индустрията изследвания и инвестиране в програмата.
При трансформирането на хиперзвукова технология в широкомащабни проекти, които могат да се произвеждат, съществуващата празнина в инженерните и производствените умения е най-голямото предизвикателство.Ако ранните изследвания не пресекат тази подходящо наречена долина на смъртта - пропастта между научноизследователска и развойна дейност и производство и много амбициозни проекти са се провалили - тогава сме загубили приложимо и осъществимо решение.
Американската производствена индустрия може да ускори свръхзвуковата скорост, но рискът от изоставане е да се увеличи размерът на работната сила, за да съответства.Следователно правителството и консорциумите за развитие на университетите трябва да си сътрудничат с производителите, за да приложат тези планове на практика.
Индустрията е изпитала пропуски в уменията от производствените работилници до инженерните лаборатории – тези пропуски само ще се разширят с разрастването на хиперзвуковия пазар.Нововъзникващите технологии изискват нововъзникваща работна сила за разширяване на знанията в областта.
Хиперзвуковата работа обхваща няколко различни ключови области с различни материали и структури и всяка област има свой собствен набор от технически предизвикателства.Те изискват високо ниво на подробни познания и ако не съществува необходимата експертиза, това може да създаде пречки пред разработката и производството.Ако нямаме достатъчно хора, за да поддържаме работата, ще бъде невъзможно да се справим с търсенето на високоскоростно производство.
Например имаме нужда от хора, които могат да изградят крайния продукт.UCAH и други консорциуми са от съществено значение за насърчаване на модерното производство и гарантиране, че студентите, които се интересуват от ролята на производството, са включени.Чрез многофункционални усилия за развитие на работната сила, индустрията ще може да поддържа конкурентно предимство в плановете за хиперзвукови полети през следващите няколко години.
Създавайки UCAH, Министерството на отбраната създава възможност за приемане на по-фокусиран подход за изграждане на способности в тази област.Всички членове на коалицията трябва да работят заедно, за да обучат нишовите способности на студентите, така че да можем да изградим и поддържаме инерцията на научните изследвания и да ги разширим, за да произведем резултатите, от които страната ни се нуждае.
Вече затвореният NASA Advanced Composites Alliance е пример за успешно усилие за развитие на работната сила.Неговата ефективност е резултат от комбинирането на научноизследователска и развойна дейност с интереси на индустрията, което позволява на иновациите да се разширят в цялата екосистема за развитие.Лидерите в индустрията са работили директно с НАСА и университетите по проекти от две до четири години.Всички членове са развили професионални знания и опит, научили са се да си сътрудничат в неконкурентна среда и са обучавали студенти да се развиват, за да подхранват ключови играчи в индустрията в бъдеще.
Този тип развитие на работната сила запълва празнините в индустрията и предоставя възможности на малките предприятия да правят иновации бързо и да диверсифицират полето, за да постигнат по-нататъшен растеж, благоприятен за националната сигурност на САЩ и инициативите за икономическа сигурност.
Университетските съюзи, включително UCAH, са важни активи в хиперзвуковата област и отбранителната индустрия.Въпреки че техните изследвания са насърчили нововъзникващи иновации, тяхната най-голяма стойност се крие в способността им да обучават нашето следващо поколение работна сила.Сега консорциумът трябва да даде приоритет на инвестициите в такива планове.По този начин те могат да помогнат за насърчаване на дългосрочния успех на хиперзвуковите иновации.
About the author: Kim Caldwell leads Spirit AeroSystems’ R&D program as a senior manager of portfolio strategy and collaborative R&D. In her role, Caldwell also manages relationships with defense and government organizations, universities, and original equipment manufacturers to further develop strategic initiatives to develop technologies that drive growth. You can contact her at kimberly.a.caldwell@spiritaero.com.
Производителите на сложни, високотехнологични продукти (като компоненти за самолети) се стремят към съвършенство всеки път.Няма място за маневриране.
Тъй като производството на самолети е изключително сложно, производителите трябва внимателно да управляват процеса на качество, като обръщат голямо внимание на всяка стъпка.Това изисква задълбочено разбиране за това как да се управлява и адаптира към динамичното производство, качеството, безопасността и проблемите на веригата за доставки, като същевременно отговаря на нормативните изисквания.
Тъй като много фактори влияят върху доставката на висококачествени продукти, е трудно да се управляват сложни и често променящи се производствени поръчки.Процесът на качество трябва да бъде динамичен във всеки аспект на проверката и проектирането, производството и тестването.Благодарение на стратегиите на Индустрия 4.0 и модерните производствени решения, тези предизвикателства, свързани с качеството, станаха по-лесни за управление и преодоляване.
Традиционният фокус на производството на самолети винаги е бил върху материалите.Източникът на повечето проблеми с качеството може да бъде крехко счупване, корозия, умора на метала или други фактори.Днешното производство на самолети обаче включва напреднали, високотехнологични технологии, които използват устойчиви материали.Създаването на продукти използва високоспециализирани и сложни процеси и електронни системи.Софтуерните решения за управление на общи операции може вече да не са в състояние да разрешават изключително сложни проблеми.
По-сложни части могат да бъдат закупени от глобалната верига за доставки, така че трябва да се обърне повече внимание на интегрирането им в целия процес на сглобяване.Несигурността носи нови предизвикателства пред видимостта на веригата за доставки и управлението на качеството.Гарантирането на качеството на толкова много части и готови продукти изисква по-добри и по-интегрирани методи за качество.
Индустрия 4.0 представлява развитието на производствената индустрия и са необходими все повече и повече напреднали технологии, за да се изпълнят строгите изисквания за качество.Поддържащите технологии включват индустриален интернет на нещата (IIoT), цифрови нишки, разширена реалност (AR) и прогнозни анализи.
Качество 4.0 описва базиран на данни метод за качество на производствения процес, включващ продукти, процеси, планиране, съответствие и стандарти.Той е изграден, вместо да замества традиционните методи за качество, като използва много от същите нови технологии като своите индустриални аналози, включително машинно обучение, свързани устройства, облачни изчисления и цифрови близнаци, за да трансформира работния процес на организацията и да елиминира възможните дефекти на продукти или процеси.Очаква се появата на Качество 4.0 допълнително да промени културата на работното място чрез увеличаване на зависимостта от данни и по-задълбочено използване на качеството като част от цялостния метод за създаване на продукт.
Качество 4.0 интегрира оперативни проблеми и проблеми с осигуряването на качеството (QA) от началото до етапа на проектиране.Това включва как да концептуализирате и проектирате продукти.Скорошни резултати от проучване на индустрията показват, че повечето пазари нямат автоматизиран процес на прехвърляне на дизайн.Ръчният процес оставя място за грешки, независимо дали е вътрешна грешка или комуникационен дизайн и промени във веригата за доставки.
В допълнение към дизайна, Quality 4.0 също използва машинно обучение, ориентирано към процеса, за намаляване на отпадъците, намаляване на преработката и оптимизиране на производствените параметри.В допълнение, той също така решава проблеми с производителността на продукта след доставката, използва обратна връзка на място за отдалечено актуализиране на софтуера на продукта, поддържа удовлетвореността на клиентите и в крайна сметка гарантира повтарящ се бизнес.Той се превръща в неразделен партньор на Индустрия 4.0.
Качеството обаче не е приложимо само за избрани производствени връзки.Приобщаването на Качество 4.0 може да внедри цялостен подход за качество в производствените организации, превръщайки трансформиращата сила на данните в неразделна част от корпоративното мислене.Съответствието на всички нива на организацията допринася за формирането на цялостна култура на качеството.
Нито един производствен процес не може да протича перфектно в 100% от времето.Променящите се условия предизвикват непредвидени събития, които изискват отстраняване.Тези, които имат опит в качеството разбират, че всичко е свързано с процеса на движение към съвършенство.Как гарантирате, че качеството е включено в процеса за откриване на проблеми възможно най-рано?Какво ще направите, когато откриете дефекта?Има ли външни фактори, причиняващи този проблем?Какви промени можете да направите в плана за инспекция или тестовата процедура, за да предотвратите повторната поява на този проблем?
Създайте манталитет, че всеки производствен процес има свързан и свързан процес на качество.Представете си бъдеще, в което има връзка едно към едно и постоянно измерване на качеството.Без значение какво се случва на случаен принцип, може да се постигне перфектно качество.Всеки работен център преглежда индикатори и ключови показатели за ефективност (KPI) ежедневно, за да идентифицира областите за подобрение, преди да възникнат проблеми.
В тази система със затворен цикъл всеки производствен процес има заключение за качество, което осигурява обратна връзка за спиране на процеса, позволяване на процеса да продължи или извършване на корекции в реално време.Системата не се влияе от умора или човешка грешка.Системата за качество със затворен цикъл, предназначена за производство на самолети, е от съществено значение за постигане на по-високи нива на качество, съкращаване на времената на цикъла и осигуряване на съответствие със стандартите AS9100.
Преди десет години идеята за фокусиране на QA върху дизайна на продукта, проучването на пазара, доставчиците, продуктовите услуги или други фактори, които влияят върху удовлетвореността на клиентите, беше невъзможна.Счита се, че продуктовият дизайн идва от по-висок авторитет;качеството е свързано с изпълнението на тези проекти на поточната линия, независимо от техните недостатъци.
Днес много компании преосмислят как да правят бизнес.Статуквото през 2018 г. може вече да не е възможно.Все повече производители стават все по-умни и по-умни.Налични са повече знания, което означава по-добра интелигентност за създаване на правилния продукт от първия път, с по-висока ефективност и производителност.